Základné informatické pojmy

História vzniku počítača

Ľudia používajú počítacie prostriedky už storočia, hoci počítače ako ich poznáme dnes, existujú iba od polovice 30- tych rokov. Ľudia vždy hľadali spôsoby ako byť produktívnejší, ako získať vedomosti a ako zlepšiť kvalitu výroby. Nech je dôvod akýkoľvek,cesta za počítačmi má dlhú a významnú históriu. Niektorí kritici zastávajú hľadisko, že učiť sa o počiatkoch počítačov nie je nevyhnutné. Samozrejme, že trocha znalosti o histórii počítacích prostriedkov nikomu nepomôže zdokonaliť svoje zručnosti pri práci s počítačom alebo stať sa lepším programátorom. Trocha vedomostí o histórii počítačov môže pomôcť pochopiť vývoj počítačov a úlohy, ktoré počítače môžu vykonávať. Napríklad, v roku 1981 firma IBM uviedla počítač IBM-PC za približne 3000 dolárov. Dnes cena nového PC s najnovšou technológiou je rovnaká, ale rýchlosť a schopnosti tohto počítača sa zvýšila viac ako 500-násobne.

Táto kapitola stručne popisuje vývoj od ranných prostriedkov k dnešným výkonným mikropočítačom. Jednotlivé počítacie zariadenia sa nerozvíjali nezávisle na sebe ani nepredstavujú chronologický sled v technologickom vývoji. Každý počítač alebo počítací stroj sa vyvinul ako výsledok predchádzajúceho vývoja. Každý počítač je tiež výsledkom osobností a konfliktov, ktoré sú súčasťou každého ľudského úsilia. Aby sme pochopili vývoj počítačov, musíme pochopiť aj vplyv týchto strojov na život ľudí.

Prvé počítacie stroje :

Medzi prvé počítacie nástroje patrili mechanické stroje. Namiesto elektronických prostriedkov, ktoré poznáme dnes, sa používali primitívne počítacie zariadenia (okrem abakusu), boli založené na ozubenom súkolesí a pákach. V určitom zmysle tieto ranné počítacie stroje vôbec neboli počítačmi, pretože neboli elektronické. Podstata týchto zariadení tvorila základ dnešných počítačov. V skutočnosti štúdium raných počítacích strojov ukazuje prechod od mechanických k elektronickým.

Abacus

Asi okolo roku 3000 p.n.l. Číňania používali rám s posuvnými korálkami na sčítavanie väčšieho počtu čísel, ktorý sa nazýval abakus. Napriek tomu, že pôvod abakusu nie je známy, predpokladá sa, že tento prostriedok pochádzal z Babylónu. Hovorí sa, že starovekí Babylónčania používali na výpočty systém čiar v piesku a kamene na drevenej ploche. Abakus je to prekvapivo presný nástroj. Stal populárnym, pretože nevyžaduje vzdelaného užívateľa. Ten, kto chce používať nemusí vedieť čítať a písať.

V starovekom Babylóne a Číne podobne ako v ostatných častiach starovekého sveta, väčšina ľudí bola nevzdelaná a abakus sa osvedčil ako najužitočnejší počítací prostriedok. V súčasnosti je abakus stále obľúbený v mnohých častiach sveta. V šesťdesiatych rokov boli veľmi populárne súťaže medzi odborníkmi používajúcimi abakus a používateľmi elektronických počítačov, experti na abakus často vyhrávali.

Pascalina :

V období rannej histórie ľudstva bol abakus základným prostriedkom na počítanie. Napriek tomu, že existovali aj iné prostriedky na meranie a predpovedanie pohybu hviezd a planét (napr. logaritmické pravítko), prvý mechanický počítací prostriedok bol vynájdený až 17. storočí. Už stovky rokov učenci pripisujú vynález prvého mechanického počítacieho stroja Blaise Pascalovi roku 1642. Novšie historické nálezy naznačujú, že nemecký profesor Wilhem Schickard vytvoril jednoduchý počítač už v roku 1623. Bolo to v tom istom roku, keď sa narodil Pascal. Keďže málo sa vie o Schickardovi, mnohí ľudia uznávajú Pascala ako vynálezcu prvého mechanického počítača. 

Keď bol Blaise Pascal mladý, pracoval pre svojho otca, francúzskeho daňového úradníka. Pascalov otec musel pripravovať dokumenty, ktoré obsahovali niekoľko stĺpcov čísel. Blaise veril, že musí existovať lepší a ľahší spôsob, ako zvládnuť nudnú zdĺhavú prácu so sčítavaním čísel. V roku 1642 vo veku 19-tich rokov vynašiel počítací prostriedok na mechanické sčítavanie a odčítavanie čísel, ktorý sa osvedčil ako pomerne pozoruhodný a presný prístroj s obmedzenými možnosťami pri sčítavaní a odčítavaní. 

Asi sa domnievate, že ľudia v minulosti privítali túto novinku s otvoreným náručím, keďže bol schopný vykonávať prácu namiesto mnohých úradníkov s prekvapujúcou rýchlosťou a presnosťou. Mnohí ľudia mali strach z tohto stroja. Niektorí mali pocit, že tento stroj je príliš zložitý a ťažký na používanie. Niektorí úradníci sa báli, že takýto výkonný stroj môže zapríčiniť stratu ich zamestnania. Z týchto dôvodov Pascal mohol vytvoriť a distribuovať iba asi 50 kusov pascaliny. Obavy, ktoré pociťovali ľudia v dobe Pascala, boli tie isté, aké majú ľudia dnes. Aj dnes sa ľudia domnievajú, že pokroková technika ich môže obrať o prácu. Treba ešte dodať, že mnohí majú pocit, že počítače sú príliš ťažké a zložité na pochopenie.

Kalkulátor Leibnitza

Neskôr v 17. storočí nemecký filozof a matematik G. W. von Leibnitz (1673) zdokonalil pascaline. Vyvinul prístroj, ktorý dokázal násobiť, deliť a počítať s odmocninami. Tento prístroj bol predchodcom modernej kalkulačky.

Jacquardov tkáčsky stroj :

Jeden z najvýznamnejších vynálezov v počítačovej technike pochádza z tkáčskeho priemyslu, dôležitého priemyslu na začiatku 19. storočia. V tomto čase Joseph Marie Jacquard vyvinul tkáčsky stroj, v ktorom sa tkaný vzor vytváral pomocou dierkovaných kartičiek. Ihly prechádzali systémom dier na kartónových kartách, preťahovali nite a tak tkali látku. Umiestnenie dier na kartách určovalo vzor materiálu. Niektorí počítačoví historici sa domnievajú, že tieto dierkované karty boli počiatkom programov, ktoré zabezpečujú príkazy pre počítače. 

Na výrobu nového návrhu tkáči vytvorili novú súpravu kariet. Jacquard vystavil a predal svoj tkáčsky stroj priemyselníkom na svetovom trhu v Paríži v roku 1801. V priebehu niekoľkých rokov tkáčsky stroj pripravil o prácu mnohých zručných tkáčov. Pochopiteľne sa prejavil silný nesúhlas s novou technológiou. Ľudia znovu pocítili hrozbu technického pokroku. Napríklad v Anglicku sa šírilo ludistické hnutie, ktoré ničilo Jacquardove stroje. Avšak technológia zvíťazila a tkáčsky priemysel stále používa Jacquardovu techniku na výrobu textílií.

Babbageho diferenčný stroj

V roku 1830 Charles Babbage, anglický matematik navrhol stroj podobný prvému modernému počítaču. Počas štúdia astronomických dát našiel veľa chýb v logaritmických tabuľkách. Uradníci robili prepočty ručne pomocou logaritmických tabuliek a dopúšťali sa rôznych chýb od jednoduchých aritmetických až po chyby v logike výpočtu. Babbage požiadal Britskú vládu o peniaze na výrobu presného a bezchybného zariadenia. Vláda mu peniaze poskytla a Babbage navrhol stroj poháňaný parou na počítanie logaritmov. Stroj používal iba operácie sčítania s využitím vlastností diferenčnej tabuľky a jednotlivých diferencií. Stroj sa používal pri rozličných administratívnych výpočtoch v štátnej správe. Babbage, často nazývaný otcom moderného počítania, nazval tento stroj diferenčný stroj.

Babbageho analytický stroj :

Kedˇ Babbage pracoval na svojom diferenčnom stroji, dostal dˇaľší nápad vyrobiť analytický stroj na počítanie rôznych matematických funkcií (1834).
Analytický stroj pozostával z dvoch častí: pamäti a z "mlynčeka". Pamäť sa skladala z mechanických registrov, kde sa uchovávali čísla, ktoré používal stroj. Mlynček bol vlastne centrálnou aritmetickú jednotkou, v ktorej sa mali vykonávať operácie sčítania, odčítania, násobenia a delenia. Na zadefinovanie postupnosti vykonávania aritmetických krokov Babbage plánoval použiť dierne štítky podobné Jacquardovým.

Babbage veril, že jeho stroj sa bude dať použiť okrem výpočtov tiež ako sádzačský stroj, všetky operácie budú prevádzané automaticky a bude používať motor poháňaný parou, ako to navrhol pre diferenčný stroj. Babbagov analytický stroj nebol nikdy zostrojený. Babbageho mechanické zariadenia požadovali presnosť a technológie, ktoré neboli v 19. storočí dostupné.

Hollerithov tabulátor :

H.Hollerith a J.Powers (1890) vytvorili tabelátor, ktorý sa použil v spojení s triediacou skrinkou pri spracúvaní výsledkov sčítania ľudu v USA. Ručne dierované štítky sa vkladali do matrice a ich dierky určovali prechod elektrického prúdu, čo potom prenášalo na panel tabelačného stroja,

Analógové prístroje :

Veľký význam mal vznik zariadení pracujúcich na princípe nanalógie, analógových prístrojov a prístrojov (mechanických a elektromechanických), ktoré neoperujú s číslami, ale so spojite sa meniacimi fyzikálnymi veličinami. Z analógových prístrojov možno spomenúť Amslerov planiometer (1854), stroj na integrovanie Veglovových a Vetcerových diferenciálnych rovníc (1911-1912). Moderný diferenciálny analyzátor skonštruoval V.Bush.
Diferenciálny analyzátor - Vannevar Bush (1930)

Mikroprocesor :

Srdcom počítača je mikroprocesor. Jeho korene siahajú až do dávnej minulosti. Prapredkom mikroprocesora je mechanický počítací stroj, ktorý už dávno navrhli konštruktéri, no kôli technológii výroby ho vtedy nebolo možné zostrojiť. Až technika polovodičov, vyvinutá v tomto storočí, objavila vlastnosti kremíka, ktorými bolo možné túto myšlienku uskutočniť.

Na počiatku histórie dnešných PC stojí profesor Wilhem Schickard, ktorý v roku 1923 zostrojil počítací stroj na základe ozubených koliesok. Nemec Gottried Wilhem Leibnitz objavil dvojkovú číselnú sústavu, a tým položil základy pre dnešné výpočtové systémy. V roku 1933 anglický matematik Charles Babbage vynašiel prvý číslicový automat s programovým riadením, no opäť nebol skonštruovaný, Až Konrad Zuse v r. 1941 uviedol do činnosti prvý fungujúci automat s programovým zariadením. Stroj bol pomenovaný Zuse Z3 skladal sa asi z 2000 relé, pracoval v dvojkovej sústave a ovládal už výpočty s desatinnou čiarkou.

Po vojne boli na krátku dobu používané počítače na báze elektróniek. Zástupcami tejto generácie sú MARK- 1 a ENIAC, ktoré však boli príliš poruchové a potrebovali veľmi veľa elektrickej energie. Elektrónkové systémy boli od roku 1948 postupne nahradzované, v mnohých smeroch lepšie, tranzistormi. Týmto nastúpila éra miniaturizácie, ktorá nabrala ďalší rozvoj v r. 1968 s príchodom prvých integrovaných obvodov.

V roku 1981 firma IBM vyvinula prvý počítač pod označením PC/XT a neskôr PC/AT, ktoré boli základom pre dnešné PC. Ďalší rozvoj počítačov závisel hlavne od typu procesoru. Vedúce postavenie prebrala a stále drží firma Intel, ktorá už v roku 1971 vyrobila prvý počítač s procesorom s označením 4004. Bol to samostatný kremíkový integrovaný obvod, ktorý obsahoval 2300 tranzistorov a počítal rýchlosťou 60000 inštrukcií za sekundu. Následníkom bol procesor 8088 vyvinutý v roku 1979 s 29000 tranzistormi. Položil základy vo vývoji dnešných PC. Za týmto procesorom nasledovali čipy 286, 386, 486, 586, Pentium Owerdrive,Pentium, Pentium Pro, P6...

Dnes najnovšie procesory Pentium, ktoré sú iba málo väčšie, ako prvé čipy 8088 obsahujú viac ako 3,3 miliónov tranzistorov a počítajú s rýchlosťou 230 miliónov inštrukcií za sekundu. Kľúčom sú pokročilé techniky navrhovania obvodov spojené s najmodernejšími výrobnými technológiami.

Prvý počítač :

Mark 1 (1937) (operátor opravuje dierne pásky)
V roku 1937 Howard Aiken a Grace Hopper navrhli elektromechanické zariadenie nazvané automaticko-sekvenčná kalkulačka. Ich zámerom bolo zostrojiť kalkulačku používajúcu elektrické obvody k presúvaniu dát a informácií z jednej časti zariadenia do druhej. Využívanie elektriny urobilo takéto stroje rýchlejšie a oveľa presnejšie ako Babbageho zariadenia a iné mechanické stroje. Aiken a Hopper zrealizovali svoj plán v roku 1944, ktorý predstavili ako počítač Mark 1. Aiken bol človek, ktorý presadzoval potrebu všeobecných a viacúčelových počítačov na vykonávanie rôznych úloh. Avšak na zostrojenie takéhoto počítača potreboval veľa podpory. 

Prostredníctvom priateľa sa Aiken zoznámil s Tomom Watsonom, predsedom IBM a presvedčil ho o geniálnosti svojho nápadu. A tak mu Watson poskytol dve tretiny z 500 000 dolárov potrebných na výrobu takéhoto zariadenia a tiež prístup k najlepším strojom v IBM. Na zhotovenie Mark 1 sa spotrebovalo 497 míľ drôtu, 78 sčítacích strojov a stolných kalkulátorov. Kotúč papiera kontroloval toto elektromechanické zariadenie prostredníctvom série spínačov. Mark 1 vykonával tri sčítania za sekundu. Mark 1 pri svojich výpočtoch používa 23 pozícii, mal 72 aritmetických registrov na sčítanie a ukladanie čísel a 60 ručných kľúčov na vkladanie konštánt. Vstup sa uskutočňoval nastavovaním ručných kľúčov alebo zo štandardných diernych štítkov, výstup pomocou elektrického písacieho stroja alebo dierovaním do štítkov.

Stroj pracoval plných 15 rokov a mal mnohostranný význam. Bol prvým operačným automatickým počítačom a teda za začiatok modernej výpočtovej éry možno pokladať obdobie okolo 1940.

Atanasoff-Berry Computer (ABC) :

Atanasoff-Berry Computer alebo ABC (1939) bol prvý plne eletronický počítač. Použili 300 elektróniek, ktoré nahrádzali mechanické časti.

Elektromechanické počítače reprezentovali zdokonalenie v mechanike, ale tiež mali nevýhody. Tieto počítače používali elektrinu na spúšťanie rôznych spínačov. Ako všetky mechanické zariadenia, aj tieto sa po čase opotrebovali a pokazili. Elektromechanické zariadenia také ako Mark 1 boli veľmi veľké. Mark 1 bol 8 stôp vysoký 51 stôp dlhý a 2 stopy hlboký. Vážil 5 ton a obsahoval viac ako 750.000 súčiastok. Približne v tom istom čase ako Aiken robil na Mark 1, John V.Atanasoff a Clifford Berry dostali grant vo výške 650 dolárov od štátnej univerzity na vývoj počítača (v r.1939). Vyvinuli počítač Atanasoff-Berry Computer alebo ABC, prvý plne eletronický počítač. 

Použili 300 elektróniek, ktoré nahrádzali mechanické časti. Počítač ABC bol veľký ako úradnícky stôl. Bohužial ABC bol zostrojený iba pre určité druhy úloh, ktoré dokázal riešiť, nebol to univerzálny počítač. ENIAC 

V r. 1945 John W. Mauchly a J. Presper Eckert vyvinuli prvý plne elekronický počítač za pomoci vládneho grantu na univerzite v Pensylvánii. Stroj sa volal Elektronical numerical integrator and calculator alebo Eniac.

ABC sa nikdy nepreslávil, ale ovlyvnil vývoj počítačov. Eniac bol vyvinutý hlavne pre vojenské účely. Využili sa pri ňom nové prvky a konštrukciu ovplyvnilo i jeho určenie na výpočty balistických tabuliek. Eniac bol rýchlejší než prvé počítače, mohol vykonatˇ za jednu hodinu viac operácii ako počítač Mark 1 za jeden týždeň. Bohužialˇ Eniac nemohol fungovatˇ na jeden chod viac ako jednu hodinu. Podobne, ako aj jeho predchodcovia aj Eniac vyžadoval od operátorov prevíjanie drôtov, nulovanie prepínačov pre každú operáciu a tieto opravy zaberali operátorom celé hodiny. Elektronické počítače znamenajú kvalitatívne najvyšší stupeň v doterajšom rozvoji matematických strojov. Vďaka princípu programového riadenia a veľkej operačnej rýchlosti sa v ostatných rokoch úspešne používajú na riešenie rozsiahleho okruhu matematických a logických úloh.

John von Neuman

Do ďalšieho vývoja počítačov zo stránky teoretickej zasiahol John von Neumann, bol známy matematik a ENIAC ho fascinoval. Zaoberal logickým návrhom výpočtových zariadení.